Библиотека ДИССЕРТАЦИЙ
Главная страница Каталог

Новые диссертации Авторефераты
Книги
Статьи
О сайте
Авторские права
О защите
Для авторов
Бюллетень ВАК
Аспирантам
Новости
Поиск
Конференции
Полезные ссылки
СУПЕРОБУЧЕНИЕ
Комната отдыха

Введите слово для поиска

Алампиева Елена Владимировна.
Эколого–геохимические особенности техногенных ландшафтов Большого Кавказа (на примере западной части Передового хребта)

Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена

Специальность 25.00.36 – геоэкология (науки о Земле)


Диссертация
на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор геолого–минералогических наук, профессор кафедры геохимии Санкт-Петербургского университета Панова Елена Геннадьевна

Санкт-Петребург
2014

Содержание диссертации
Эколого–геохимические особенности техногенных ландшафтов Большого Кавказа

Глава 1. Ландшафты горной территории западной части Передового хребта Большого Кавказа
1.1. Природные ландшафты
1.2. Техногенные ландшафты

Глава 2. Источники формирования техногенных ландшафтов района исследования
2.1. Географическое и геологическое положение района месторождения и ГОКа
2.2. Минеральный состав пород и руд Урупского месторождения
2.3. Складирование отходов деятельности ГОКа

Глава 3. Эколого-геохимическая характеристика продуктов переработки Урупского ГОКа
3.1. Процессы гипергенеза в хвостах УГОКа
3.2. Геохимическая характеристика хвостов и подвижные формы химических элементов в них
3.3. Потенциальная опасность загрязнения окружающей среды токсикантами

Глава 4. Влияние хвостохранилища на водную систему района
4.1. География водной сети района
4.2. Химические элементы в питьевых водах
4.3. Геохимическая характеристика водной системы р. Уруп

Глава 5. Токсиканты в почвах и растительности техногенного ландшафта района
5.1. Геохимия почв района
5.2. Геохимия растительности

Заключение
Использованная литература

Глава 1. Ландшафты горной территории западной части Передового хребта Большого Кавказа

1.1. Природные ландшафты

Большой Кавказ — грандиозное горное поднятие, состоящее из хребтов и отрогов Длиной около 1500 км и площадью около 145 тыс. км. Он тянется с северо-запада на юго-восток от Таманского полуострова (на Черном море) до Апшеронского полуострова (на Каспийском). С севера хребты Большого Кавказа граничат с кубанскими степными равнинами и с прикаспийскими полупустынями, а с юга — с Кура-Рионской впадиной. Невысокий (до 1926 м над уровнем моря) Сурамский хребет (водораздел между бассейнами рек Куры и Риони) соединяет Большой Кавказ с краевыми хребтами Малого Кавказа.

Особенности географии Большого Кавказа Рассмотрены в работах ряда авторов: Ефремов. Ю. В., 1988; Перельман А. И., Касимов Г. Н., 1999; Полынов Б. Б., 1953; Мильков Ф. Н., Гвоздецкий Н. А.,1976; Гвоздецкий Н. А., Михайлов Н. И. 1978; Алексеенко В. И., 2002. Собственно Западный Кавказ начинается от горного массива Фишт, который является форпостом альпийского рельефа и современного оледенения. На Западном Кавказе вместе с повсеместно распространенными альпийскими формами рельефа (острыми скалистыми вершинами, цирками и карами, узкими и глубокими ущельями) встречаются высокогорные сравнительно слабо расчлененные плато, в пределах которых широко развиты карстовые формы рельефа. На Западном Кавказе сочетаются самые различные горные ландшафты. Ни в одном горном районе бывшего Советского Союза не встретишь на столь коротком расстоянии (порядка десятка километров) такого разнообразия природных условий: от влажных субтропиков до сурового альпийского высокогорья. В орографическом плане Большой Кавказ распадается на две части — северную и южную. Границей между ними является Главный хребет, который вместе с Боковым составляет как бы осевую зону.

Северный склон Большого Кавказа представляет собой мощную горную страну, которая состоит из ряда хребтов, параллельных Главному, и имеет общекавказское простирание. Долины основных притоков Кубани, Терека, Сулака и Самура, расположенные между Главным и Скалистым хребтами, разнообразны по строению. На Западном и Восточном Кавказе ч астично имеют узкую V-образную форму, труднопроходимы, на Центральном и на большей части Западного Кавказа они приобрели вид троговых долин с широким дном.

Передовой хребет уступает по своим высотам Главному и Боковому, отличается от них морфологическим обликом. На фоне заснеженной осевой зоны Большого Кавказа Передовой хребет смотрится как пьедестал, имеющий мягкие и пологие формы и покрытый светло-зеленым ковром травянистых альпийских и субальпийских лугов. Севернее располагается характерная для Большого Кавказа зона асимметричных полого наклонных куэстовых хребтов, среди которых выделяются как самостоятельные Скалистый, Пастбищный и Лесистый.

Современный климат Большого Кавказа очень разнообразен, что объясняется одновременным влиянием многих факторов. Кавказ расположен на границе умеренного и субтропического поясов и находится под воздействием, с одной стороны, влажных воздушных масс Атлантики и Средиземноморья, а с другой — континентальных воздушных масс Сибири, Средней Азии и Иранского нагорья.

Черное и Каспийское моря влияют на термический режим прибрежных частей Кавказа, делающие зиму более теплой, а лето более прохладным. С горным рельефом Кавказа связана высотная зональность климата, выражающаяся в понижении температуры воздуха с ростом высоты над уровнем моря. Это понижение температуры на каждые 100 м высоты неодинаково в разных частях Кавказа. Количество осадков с высотой также увеличивается. Рельеф оказывает большое влияние на климат отдельных частей Большого Кавказа, многие хребты являются границами климатических районов. Главный хребет препятствует переносу холодных воздушных масс с севера на юг в Закавказье, и поэтому предгорья Кавказа характеризуются умеренным климатом, а низменности Закавказья — субтропическим (Ефремов, 1988).

В горах Большого Кавказа следует выделять минимум четыре основных типа структуры высотной зональности ландшафтов. Западнокавказский тип (в западной части северного склона) отличается наличием дубовой лесостепи, переходящей выше в пояса широколиственных лесов с присутствием колхидских элементов. Выражены также пояса смешанных, хвойных лесов и горно -луговая зона (с субальпийским, альпийским и субнивальным поясами). Характерно низкое положение нивальной зоны. Восточнокавказский тип (в восточной части северного склона) отличается от предыдущего появлением в нижнем поясе сухих степей, а у самого подножия — полупустынь, резким сужением лесной зоны и развитием у ее нижней границы шибляковых зарослей, отсутствием четкого пояса хвойных лесов, появлением местами горных степей, расшир ением зоны горных лугов и их частичной ксерофитизацией, более высоким положением нивальной зоны (Гвоздецкий, Михайлов, 1978; Мильков, Гвоздецкий, 1976).

В западнозакавказском, или колхидском, типе нижний пояс представлен реликтовыми колхидскими широколиственными лесами. Более высокие пояса буковых, смешанных и елово-пихтовых лесов имеют вечнозеленые колхидские кустарники и лианы. Здесь и в горно-луговой зоне широко распространены карстовые явления в известняках. Известняковый субстрат придает своеобразные черты почвенно-растительному покрову, выше обычного поднимаются многие растения. В восточнозакавказском типе (восточная часть южного склона) нижний пояс составляют аридное редколесье и вторичные степи, на крайнем востоке — полупустыни. Как и во втором типе, велика роль шибляковых зарослей, но лесная зона не столь сужена, горные степи отсутствуют. В отличие от предыдущего типа нет колхидских элементов (появляются гирканские), нет пояса хвойных лесов, отсутствует влияние известнякового субстрата (Гвоздецкий, Михайлов, 1978).

Под лесами в лесостепных районах сформировались оподзоленные (деградированные) черноземы, слитые черноземы (почвы тяжелого механического состава, близкие к темно-серым лесным), темно-серые и серые лесные почвы. Серые горнолесные почвы минераловодских лакколитов по ряду признаков приближаются уже к бурым горнолесным (Мильков, Гвоздецкий, 1976).

В растительности и почвах Большого Кавказа наиболее ярко проявляется высотная поясность. На сравнительно небольшой территории здесь встречаются влажные субтропические, широколиственные, смешанные и хвойные леса. Выше они сменяются субальпийскими, а затем и альпийскими лугами, простирающимися до вечных снегов. Это луга горных стран, поднимающиеся выше верхней границы леса. Для предгорий Северного Кавказ а характерны лесостепные ландшафты с островными широколиственными лесами, состоящими из дуба, липы, граба, клена с примесью диких плодовых — яблони и груши. Здесь распространены черноземные плодородные почвы, большая часть которых уже распахана. Островные широколиственные леса предгорных равнин сливаются с густыми лесами, покрывающими Лесистый и следующий за ним Пастбищный хребты. В этих лесах растут рядом такие деревья, как дуб, бук, ольха, граб, клен, ясень, липа, тополь и карагач, много диких плодовых и ягодных кустарников, особенно ежевики. В пределах Скалистого хребта преобладает бук с характерной для него синевато-серебристой гладкой корой и широкой кроной. Наиболее выразительны буковые леса в западной части северного склона. Выше 1200-1400 м начинаются пихтово-еловые леса. В верхней части лесной зоны на каменистых южных склонах произрастает горная сосна. Для лесной зоны характерны слабооподзоленные бурые горно-лесные почвы; значительные площади здесь занимают перегнойно-карбонатные почвы, образующиеся на мергелях и известняках. Пояс хвойных лесов сменяется криволесьем, а с высоты примерно 2000 м начинаются субальпийские луга, для которых характерно преобладание высокой травянистой и кустарниковой растительности. На высоте 2300—2500 м кустарники исчезают, начинается царство альпийских лугов. Здесь, на влажных горно-луговых почвах, среди густой низкой травы растут яркие цветы — анемоны, лютики, примулы, кавказские рододендроны, эдельвейсы (Ефремов, 1988).

В естественном состоянии большая часть территории недавно была занята ковыльными и ковыльно-разно-травными степями, под которыми преимущественно на лёссовидных суглинках и глинах формировались черноземные почвы. Наиболее широко распространены предкавказские карбонатные черноземы, отличающиеся значительной мощностью гумусовых горизонтов и не очень интенсивной их окраской (сероватой, буроватой), что связано с содержанием гумуса 5—6% (Мильков, Гвоздецкий, 1976).

Среди ландшафтно-геохимических систем по уровням организации и тесноте связей выделяются элементарные и сложные (каскадные) системы. Термин "элементарный ландшафт", в качестве главного критерия выделения которого Б. Б. Полынов предложил однородность почвы. По Б. Б. Полынову (1953) — элементарный ландшафт в своем типичном проявлении должен представлять один определенный тип pельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый момент своего существования определенным растительным сообществом. Все эти условия создают опpеделенную разность почвы и свидетельствуют об одинаковом на протяжении элементарного ландшафта развитии взаимодействия между организмами и горными породами. Характерная особенность элементарного ландшафта состоит в том, что в нем нет каких-либо внутренних причин, ограничивающих его размеры. Наименьшая площадь, на которой размещаются все части элементарного ландшафта — площадь выявления. Чем сложнее элементарный ландшафт, чем интенсивнее в нем протекает миграция химических элементов, чем больше видовое и прочее разнообразие, т. е. чем больше в нем информации, тем больше и площадь выявления. Поэтому наименьшие площади выявления характерны для пустынь без высшей растительности (шоровые солончаки, такыры), а наибольшие — для лесных ландшафтов влажных тропиков с их огромным видовым разнообразием (биологической информацией). Площадь выявления — это важная константа, имеющая большое значение для классификации элементарных ландшафтов.

Вследствие миграции химических элементов элементарный ландшафт неоднороден в вертикальном направлении, что создает радиальную геохимическую структуру (ярусы). Не все ярусы имеются в каждом элементарном ландшафте. Каждый ярус отличается химическим составом.

Вертикальная дифференциация характерна и для отдельных ярусов. Резкая дифференциация вещества и физико-химических условий по вертикали составляет характерную особенность элементарного ландшафта, его структуру. Системообразующую роль в сопряженных почвах и элементарных ландшафтах играет миграция химических элементов. Б. Б. Полынов назвал геохимическим ландшафтом районы со стоком, водоразделы, склоны, долины, водоемы, образующие единое целое. По А. И. Перельману, геохимический ландшафт — это парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Почва является "зеркалом ландшафта", в ней осуществляется связь между "живой" и "мертвой" природой, и как природная система она родственна ландшафту. Детальное химическое изучение почвенных процессов всегда составляло одну из важных задач почвоведения, поэтому оно ближе всего стоит к геохимии ландшафта (Перельман, Касимов, 1999).

1.2. Техногенные ландшафты

Большое влияние на эколого-геохимические особенности территорий оказывают расположение и разработка месторождений полезных ископаемых, геохимические особенности коренных горных пород, а также образуемые над месторождениями вторичные лито-, био- и гидрохимические ореолы. Еще большее влияние на эколого-геохимическое состояние отдельных участков биосферы оказывает разработка месторождений, а от геохимических особенностей коренных горных пород во многом зависят соответствующие особенности почв и растений (Войткевич, Кизильштейн, Холодков, 1983).

Геохимия техногенных ландшафтов как направление получило особенно широкое развитие. Были разработаны методологические принципы изучения и систематики техногенных ландшафтов (М. А. Глазовская (1981), В. В. Добровольский (2003), Н. С. Касимов (1999), А. И. Перельман (1999). Новые данные о поведении химических элементов и соединений в сфере влияния различных техногенных источников (В. А. Алексеенко, В. И. Алексеенко (2001), М. А. Глазовская (1988), С. Б. Бортникова (2006), П. В. Елпатьевский (1993), Н. В. Ожерельева (2006), А. В Суворинов (2006), начаты геохимические оценки экологического состояния городов (Н. С. Касимов (1999), Е. П. Янин (2004) и др.), разработаны принципы прогнозного ландшафтно-геохимического районирования (М.А. Глазовская, 1988). Исследования проводятся вместе с экологами, геохимиками, почвоведами, и другими специалистами в области наук об окружающей среде (Перельман, Касимов, 1999).

Содержание одних и тех же химических элементов в разных ландшафтах неодинаково, что во многом обусловлено их миграцией. Закономерности в распространенности химических элементов могут быть выявлены лишь при анализе среднего химического состава земной коры, который впервые был установлен на рубеже ХХ в. В честь американского химика Ф. Кларка, А. Е. Ферсман предложил в 1923 году среднее содержание химического элемента в земной коре или какой-либо ее части называть Кларком. Согласно основному закону В. М. Гольдшмидта, кларки элементов зависят от строения атомного ядра, а их миграция — от наружных электронов, определяющих химические свойства элементов. Миграция элементов зависит не только от химических свойств, но и от кларков, которые во многом определяют содержание элементов в растворах и расплавах, их способность к осаждению, минералообразованию и т. д. Поэтому миграция элемента определяется как его химическими свойствами, так и величиной Кларка. К внутренним факторам миграции А. Е. Ферсман отнес свойства химических элементов, определяемые строением атомов — их способность давать летучие, растворимые или инертные формы. К внешним факторам относятся ландщафтно-геохимические условия, определяющие поведение элементов в различных окислительно-восстановительных, щелочно- кислотных и других обстановках. В результате миграции элементы концентрируются и рассеиваются. Изучение этих противоположных сторон миграции составляет одну из важных особенностей методологии геохимии. В связи с этим большое значение приобрела характеристика миграции с помощью различных коэффициентов, особенно кларков концентрации и кларков рассеяния (Перельман, Касимов, 1999; Скляров, 2001).

Кларки концентрации (КК) — отношение содержания элемента в изучаемой системе к кларку в литосфере. Наибольшие величины КК характерны для Hg и Sb, содержание которых в почвах на участках месторождений может быть выше их кларка в сотни тысяч раз. Ниже КК Au, Sn (10 000–100 000). У таких элементов, как Fe, K, Mg, КК не превышает 10–100. Таким образом, зная кларк элемента и максимальное значение КК, можно установить те пределы, в которых данный элемент будет встречаться в ландшафте. Если КК меньше 1, то для получения большей контрастности вычисляют обратные величины — кларки рассеяния (КР) — отношение кларка элемента в литосфере и к его содержанию в данном объекте. Выделяются 4 основных вида миграции в зависимости от формы движения материи (Перельман, Касимов, 1999).

Необходимость изучения геохимических условий миграции микроэлементов и их роли в функционировании природных экосистем обусловлена растущим техногенным воздействием, особенно при разработке крупных месторождений. Возникновение на участках природных аномалий геотехнических систем сопровождается коренной перестройкой миграционных циклов вещества и энергии внутри и между блоками геосистем (Сочава, 1975; Елпатьевский, 1993; Емлин, 1990). В связи с высокой насыщенностью западной части Передового хребта Большого Кавказа геотехническими системами (ГТС), в которых совмещены процессы добычи, обогащения полезных ископаемых происходят процессы изменения природной атмосферной миграции микроэлементов, их накопления и трансформации в депонирующих средах, изменяются природные связи в системах: атмосфера–почва, атмосфера–водная поверхность, вода–донные отложения (Удачин, 2012).

Значение видов миграции для разных элементов неодинаково. Так, если для К и Р особенно большую роль играет биогенная миграция, то для Nа и Cl — физико- химическая, а для Ti, Au, Pt, Sn — механическая. В разных ландшафтах соотношение видов миграции также не одинаково. Если в пустынях возрастает роль механической миграции, то во влажных тропиках — физико-химической и биогенной. Pb и W в пустынях мигрируют преимущественно механическим путем, во влажных тропиках — в растворах. Но все же каждый элемент попадает и в организмы, и в воды, перемещается механическим путем, а многие образуют и газообразные соединения. Поэтому виды миграции не существуют изолированно. Они тесно связаны и взаимообусловлены. Ведущее значение имеет высший, более сложный вид миграции. Например, в степных и таежных ландшафтах главной является биогенная миграция, хотя здесь протекают и физико-химические и механические процессы. Аналогично геохимические черты городских ландшафтов определяются техногенной миграцией, социальными процессами, хотя для городов характерны и все остальные виды миграции (Перельман, Касимов, 1999).

При горнопромышленном техногенезе в депонирующих средах сформированы контрастные геохимические аномалии с техногенно-аккумулятивным типом накопления и ассоциацией As-Cd-Se-Cu-Sb-Pb-Zn в почвах горно-лесной зоны и As-Sb-Bi-Se-Cu-Cd-Pb — степной зоны. Донные отложения озер горно-лесной зоны, являющиеся природным архивом накопления аномальных концентраций техногенных элементов с факторами обогащения от 100 для Zn до 800 для Sb, характеризуются наличием прочнофиксированных форм Cu, Pb, Zn с гидроксидами Fe и Mn и органической матрицей и высокой долей (20 % от валовых содержаний) обменных форм Cd (Удачин, 1993; 2012).

А. И. Перельман и Н. С. Касимов выделили три основных ряда элементарных и геохимических ландшафтов в зависимости от вида миграции:

1. Абиогенные ландшафты, для которых характерна только механическая и физико-химическая миграция.

2. Биогенные ландшафты с ведущим значением биогенной миграции и подчиненной ролью физико-химических и механических процессов.

3. Техногенные (антропогенные), культурные ландшафты, своеобразие которых определяется техногенной (социальной) миграцией, социальными процессами, хотя в них развиваются и все остальные виды миграции.

На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений, различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей среды, другие практически важные виды концентрации элементов. Все это определяет важность изучения геохимических барьеров. В основу классификации геохимических барьеров положены виды миграции. Выделяется два основных их типа — природные и техногенные. Среди техногенных барьеров выделяются механические, физико-химические и биогеохимические классы. Более сложные процессы образования геохимических барьеров обычно включают в себя менее сложные. Например, в образовании техногенных барьеров могут участвовать механические, физико-химические и биогенные процессы, но сущность данных барьеров не может быть понята без учета особенностей техногенной миграции. Главное внимание исследователей до сих пор привлекали природные и техногенные физико-химические барьеры (Перельман, Касимов, 1999).

Среди физико-химических барьеров выделяются следующие: кислородный, сероводородный, глеевый, щелочной, кислый, испарительный, сорбционный, термодинамический. Как видно из таблицы, в зависимости от того, в каких ус - ловиях (окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных) химические элементы подходят к барьеру, определенная часть их осаждается на барьере. Зная класс барьера, направление мигрирующего потока и условия миграции перед барьером (а в подавляющем большинстве случаев эти данные имеются), можно уверенно прогнозировать осаждение на конкретном барьере определенных элементов. Возможно решение и обратной задачи: по комплексу сконцентрировавшихся элементов определить класс барьера и условия миграции элементов. В этом случае очень важно установление их зонального распределения на барьере (В. А. Алексеенко, 2001).

Элементный состав растений зависит и от условий среды: растения одного и того же вида, рода, семейства в разных ландшафтах имеют разный состав. В ряде случаев наблюдается прямая пропорциональность между содержанием элемента в растении и питающем субстрате. Химический состав растений зависит от их систематического положения и геохимических особенностей ландшафта. Для макроэлементов ведущее значение имеет систематическое положение: физиологические особенности организмов в период видообразования закрепились наследственностью и в дальнейшем растения стали в любых условиях брать то, что им необходимо, даже из бедной почвы, бедного водоема.

Для многих микроэлементов ведущее значение имеют геохимические особенности ландшафтов. Высокое (относительное) содержание элементов в среде вызывает нередко различные изменения в физиологии и морфологии, которые со временем закрепляются наследственностью. Так появляются расы, вариететы, а затем и новые виды: "цинковая", "литиевая", "селеновая" и прочие флоры, сформировавшиеся в районах развития пород, обогащенных соответствующими элементами. В техногенных ландшафтах установлены повышенные содержания в растениях Mo, Cu, Pb, Be, Ni, Co, Zn, Cd, Ag, Au и других элементов (Перельман, Касимов, 1999; Алексеенко В. А. , Алексеенко В. И., Суворинов, 2001).

Поглощение химических элементов происходит из всей массы почвы, в том числе и из более глубоких горизонтов, в которых располагаются наиболее тонкие и разветвленные корни. Поэтому после минерализации растительных остатков в верхнем горизонте почв аккумулируются те элементы, коэффициент биологического поглощения которых превышает единицу. Чем интенсивнее растение поглощает элементы, тем больше и биогенная аккумуляция их в верхнем горизонте. Наибольшее биологическое накопление характерно для Р и S.

Биогенным путем накапливаются также Са, К, Mn и многие редкие элементы. Растение как своеобразный насос перекачивает химические элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Это механизм отрицательной обратной биокосной связи, способствующий стабилизации почвы. Накапливая биогенным путем Р, S, Са и другие жизненно важные элементы, растения улучшают условия своего существования, создают наиболее благоприятную для себя среду. Наряду с биогенной аккумуляцией, направленной снизу вверх в элювиальных почвах, наблюдается и нисходящая миграция водных растворов. Поэтому реальное распределение элементов в почвах водоразделов и склонов определяется не только биогенной аккумуляцией, но и выщелачиванием. В подзолистых, черноземных, каштановых и других почвах биогенная аккумуляция и выщелачивание протекают с различной интенсивностью. В верхней части почвы может преобладать или концентрация элементов, или вынос. В результате почва расчленяется на горизонты с особыми физико-химическими условиями. Богатство почв свободной энергией определило резкую дифференциацию химических элементов по профилю, огромный рост разнообразия (информации).

В сухом климате в формировании химического состава вод важная роль принадлежит растворению солей почв и горных пород, испарительной концентрации и метаморфизации вод. В результате образуются различные типы вод, в том числе хлоридные, сульфатные. Среди катионов часто преобладает не Са2+, а Na+ или Mg2+, среди анионов — SO4 2- и Cl-, а не НСО3 -. В сухом климате формирование химического состава вод имеет преимущественно физико- химический характер, т. е. протекает без ведущей роли живого вещества. Во влажном климате значительная часть растворенных веществ поступает в воды за счет деятельности организмов, как находящихся непосредственно в водной масс е, так и населяющих область формирования вод, питающих данный водоем или водоносный горизонт. Главной "фабрикой" формирования химического состава поверхностных и грунтовых вод в гумидных ландшафтах является почва — та среда, где наиболее энергично идет разложение растительных остатков. Большинство химических элементов мигрирует в ионных, молекулярных или коллоидных растворах (Полынов, 1953; Перельман, Касимов, 1999).

Почти все воды — биокосные тела, т. е. содержат живое вещество. Химизм почвенных и грунтовых вод зависит от их подвижности. Поровые воды, к которым относится часть почвенных, иловых и горных (породных) растворов, относительно неподвижны. Они связаны с твердой фазой поверхностными силами капиллярного или коллоидного характера. Эти воды длительно е время соприкасаются с породами, часто находятся в равновесии с ними. В поровых растворах обнаружены бактерии, окисляющие сульфиды. Это дало основание П. А. Удодову сделать вывод о преимущественно биогенном характере формирования состава поровых растворов. Они легко стекают под влиянием силы тяжести, относительно быстро перемещаются по почвенным и водоносным горизонтам. Источником стока растворенных веществ служат как горные породы, так и атмосферные осадки, разложение органических веществ. В последние годы все большую роль приобретает техногенез — минеральные удобрения, промышленные отходы и т. д.

В геохимическом отношении выветривание — это вынос из пород и минералов преимущественно водных мигрантов Ca, Mg, K, Na и др. и присоединение воздушных, в первую очередь Н2О, О2, СО2. Наиболее энергично выветривание в почве, слабее — в коре выветривания и еще слабее в илах и водоносных горизонтах. Химическое выветривание начинается с гидратации, т. е. присоединения к минералу Н2О. Все вторичные силикаты, а также большинство других вторичных минералов содержат сорбированную и кристаллизационную воду. Это глинистые минералы, гидроксиды Fe, Al и Mn. Чем дальше развивается выветривание, чем меньше сохраняется первичных минералов, тем больше продукты выветривания содержат химически связанной воды. Максимальное ее количество в наиболее зрелых ферралитных корах выветривания. Сероводородные (сульфидные) воды содержат Н2 S, HS-, местами S2-; Fe и многие другие металлы часто не мигрируют, так как образуют труднорастворимые сульфиды. Цвет пород и почв — черный, серый, зеленый. Такие условия создаются в бескислородных водах, богатых SO4 2-, где анаэробные бактерии окисляют органические вещества за счет восстановления сульфатов (десульфуризации). Появление в водах Н2S (иногда до 2 г/л и более) приводит к осаждению металлов (Перельман, Касимов, 1999; Ожерельева, Бортникова, 2006).

Геохимический анализ почвообразования позволил А. И. Перельману выделить по окислительно-восстановительным условиям три основных ряда почв. Почвы первого ряда — с окислительной обстановкой. Они образуются там, где атмосферный воздух легко проникает в почву, где глубоко залегают грунтовые воды. Это горные почвы, многие водораздельные почвы равнин. К ним относятся черноземы, красноземы, каштановые почвы, буроземы, большинство почв пустынь. Почвы второго ряда — с глеевой обстановкой пользуются огромным распространением на заболоченных равнинах в районах влажного климата.

Почвы третьего ряда — с восстановительной сероводородной обстановкой распространены не столь широко. Сильно изменяет условия осаждения многих металлов образование гидрокcокомплексов, полимерных ионов и комплексных анионов. Fe, Co, Ni, Cd, редкие земли группы Се, не дающие растворимых комплексных соединений с карбонатами и бикарбонатами щелочей, малоподвижны в этих водах. Огромную роль в миграции металлов играют и комплексные органические соединения, которые характерны для тайги, тундры и других ландшафтов влажного климата. Здесь значительная, а часто и подавляющая часть Fe, Ni, Cu, Zn мигрирует в комплексной форме. В общем, образование растворимых комплексных соединений увеличивает миграционную способность элементов (Перельман, 1966).

По щелочно-кислотным условиям выделено 4 класса вод ландшафта:

1. Сильнокислые воды имеют рН < 3—4, они распространены широко, но, как правило, на небольших площадях. Кислотность таких вод обычно обязана окислению пирита и других дисульфидов, приводящему к образования Н2SО4. В сернокислых водах легко мигрирует большинство металлов, в том числе Fe, Cu, Al, Zn и др. В вулканических районах известны и солянокислые воды. Большее распространение сильнокислые воды получили в техногенных ландшафтах.

2. Слабокислые —воды, рН 3–6,5; их кислотность обусловлена разложением органических веществ, приводящим к поступлению в воду СО2, фульвокислот и других органических кислот. Если в горных породах мало подвижных сильных катионов, то кислотность нейтрализуется не полностью, и в почвах и коре выветривания господствует слабокислая среда. В таких водах легко мигрируют металлы в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Подобные воды распространены в гумидных ландшафтах.

3. Нейтральные и слабощелочные воды имеют рН от 6,5 до 8,5. Их реакция часто определяется отношением бикарбоната Са к его карбонату или же бикарбоната к СО2. Эти воды менее благоприятны для миграции большинства металлов, которые осаждаются в форме нерастворимых гидроксидов, карбонатов и других солей. Анионогенные элементы, напротив, мигрируют сравнительно легко (Si, Ge, Ag, V, U, Mo, Se и др.). Такие воды характерны для аридных ландшафтов, вод известняков и изверженных пород, морей и океанов. При разложении органических веществ в них тоже образуются СО2 и органические кислоты, которые, однако, полностью нейтрализуются СаСО3 и другими минералами Са, а также Mg, Na, K, которыми богаты почвы и породы.

4. Сильнощелочные воды с рН > 8,5 обычно обязаны своей реакцией присутствию соды (NaНСО3, реже Nа2СО3, вернее ионов Na+, HCO3, CO3 2-, OH-). В щелочных содовых водах легко мигрируют кремнезем, гуматы, Al (AlO2 -), Мо (МоО4 2-). Большая группа элементов, соединения которых трудно растворимы в нейтральной и слабощелочной среде, в содовых водах обладает высокой миграционной способностью, так как в этих условиях возникают карбонатные растворимые комплексы (Cu, Zn, Be,Y и редкие земли иттровой группы, Sc, Zr и др.). В каждом из трех классов вод, выделенных по окислительно- восстановительным условиям, щелочно-кислотные условия могут быть различными. Для каждого класса характерны подвижные и "запрещенные" элементы. Например, в сильнощелочных кислородных водах легко мигрируют Na, Li, F, Mo, U, Y, Be, B, но эти воды "запрещены" для Са, Mg, Ba, Sr, Fe.

Там, где кислородные или глеевые воды контактируют с сероводородной средой, возникает восстановительный сероводородный барьер, на котором осаждаются многие металлы, образующие нерастворимые сульфиды. В связи с высоким кларком Fe (4,65 %) особенно широко распространены его сульфиды — пирит, марказит (FeS2), гидротроилит (FeS•nH2O). Реже встречаются сульфиды Cu — халькозин, ковеллин, Pb — галенит, Zn — сфалерит. Сероводородный барьер характерен для степей и пустынь, но встречается и в гумидном климате, в ландшафтах, сформировавшихся на породах, богатых сульфидами, в техногенных сернокислых ландшафтах. Кислые растворы, образующиеся в результате окисления органических веществ и сульфидов по мере взаимодействия с глубокими горизонтами почв и породами, усредняются, становятся менее кислыми или даже щелочными. В результате в почвах, корах выветривания, водоносных горизонтах по мере фильтрации вод рН повышается, возникает щелочно-кислотная зональность. По минерализации выделяется следующий таксон классификации вод — семейства, образующие непрерывный ряд от ультрапресных вод до рассолов.

Границы между семействами условные:

1. Ультрапресные воды (< 0,1 г/л). К ним относятся многие атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды гумидных ландшафтов (в тундре, тайге и т. д.). Эти воды не насыщены практически всеми минеральными соединениями, поэтому из них не осаждаются соли. Наоборот, они обладают большой растворяющей способностью.

2. Пресные воды (0,1–1 г/л). Они характерны для большинства рек и озер влажного климата, многих грунтовых, пластовых и трещинных вод, составляют главную базу питьевого и технического водоснабжения.

3. Солоноватые воды (1–3 г/л). Такие воды широко распространены в степях, пустынях и сухих саваннах. Они насыщены CaCO3, MgCO3 и частично CaSO4. Поэтому растворяющая способность вод ослаблена, при небольшом повышении концентрации из них осаждаются труднорастворимые соли, которые обусловливают карбонатизацию и огипсование почв и пород.

4. Соленые воды (3–36 г/л). К ним относятся океанические, многие поверхностные и грунтовые воды ландшафтов. Это самые распространенные воды планеты.

5. Рассолы (> 36 г/л). Они характерны для соленых озер, частично для грунтовых вод степей и пустынь (Перельман, Касимов, 1999).

В зонах смешения природных вод с техногенными происходит резкая смена физико-химических условий, что приводит к трансформации форм нахождения элементов в растворенной минеральной фазе. Итог этих преобразований зависит от соотношения дебитов водотоков и исходного состава вод. На щелочных барьерах значительная часть металлов сорбируется новообразованными гидроксидами, вследствие чего выводится из миграционного цикла. Не сорбированная часть металлов продолжает мигрировать преимущественно в свободной ионной форме, но еще присутствуют акватированные нейтральные сульфатные комплексы. Из-за резкого уменьшения концентраций металлов, насыщения раствора не наблюдается и минералообразование новых фаз протекает слабо. При дальнейшем разбавлении техногенных вод при слиянии с высокодебитными фоновыми, продолжают выпадать гидроксиды Fe и Al. Такие химические элементы как Cu, Zn продолжают мигрировать. Локальные проявления горнопромышленного техногенеза, несмотря на значительно меньшие масштабы, по сравнению с общими закономерностями миграции, меняют структуру миграционных циклов и главных и второстепенных элементов (Удачин, 2012; Алампиева, Панова, 2012).

Многие металлы сорбируются тонкодисперсными частицами и мигрируют вместе с взвесями. Сорбция многих химических элементов зависит от щелочно - кислотных условий. Так, сорбция катионогенных цинка и свинца наиболее активно протекает в кислой среде, богатой отрицательно заряженными органическими коллоидами. В техногенных ландшафтах при фильтрации растворов через почвы и отложения, содержащие коллоиды, образуются сорбционные ореолы рассеяния. Состав таких ореолов во многом зависит от глинистых минералов. Важную роль в качестве сорбентов играют гидроксиды Fe и Mn (Перельман, Касимов, 1999).

Запрос на диссертацию присылайте на адрес kulseg@mail.ru

Биология
Ветеринария
Геология
Искусствоведение
История
Культурология
Медицина
Педагогика
Политика
Психология
Сельхоз
Социология
Техника
Физ-мат
Филология
Философия
Химия
Экономика
Юриспруденция

Подписаться на новости библиотеки


Пишите нам

 

 

 

 

X